哈工大结构力学绪论

土木工程学院结构力学学科组HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY

结构力学STRUCTURALMECHANICS*哈工大土木工程学院2/40什么是结构力学

?Themeaningof"StructuralMechanics"

顾名思义，结构力学是研究“结构”的“力学”。力学研究结构合理形式及在外界条件作用下反应规律性的学科。结构用某种材料按一定方式组成旨在承受和传递荷载的体系。Introduction*哈工大土木工程学院3/40由古至今远古人的穴居陋室

现代太空站

人类为了生存和发展建造了大量各式各样的构筑物*哈工大土木工程学院4/40人类活动的各个领域都有形形色色的结构商业大厦内景

公路大桥雄姿

静止的结构*哈工大土木工程学院5/40直升机洲际客机

天上飞的结构*哈工大土木工程学院6/40军车集锦机车集锦陆地跑的结构*哈工大土木工程学院7/40航空母舰巡洋舰水上游的结构*哈工大土木工程学院8/40娱乐设施的结构旋转车

过山车

*哈工大土木工程学院9/40

结构无所不在*哈工大土木工程学院10/40物体的存在并不是为了受力，而是为了发挥某种功能（Function）。飞机要在蓝天翱翔汽车要在大地奔驰轮船要在海洋游弋为了发挥它的功能，它们必须经受外力和内力，因此它们又必须是结构。结构由于受力过大而无法继续发挥功能时，就称为失效(Faliure)，如果结构在预期的工作条件下，正常使用，它就是具备安全性(Safety)的结构。为了防止结构失效，保证其安全性就要研究结构力学！

*哈工大土木工程学院11/40结构的受力特性和承载能力与结构的几何特征密切相关§0-1结构的分类杆系结构(structureofbarsystem)

：构件的横截面尺寸<<长度尺寸；板壳结构(plateandshellstructure)

：构件的厚度<<表面尺寸；实体结构(massivestructure)

：结构的长、宽、厚三个尺寸相仿。

*哈工大土木工程学院12/40§0-2结构力学的任务控制——通过控制理论和控制技术，智能化地抵御外界作用下的结构反应。分析——结构在外因作用下的反应。通过分析使设计的结构既经济合理，又安全可靠。识别——通过系统的反馈信息，确定体系内在实质（系统识别）或外界作用（荷载识别）。*哈工大土木工程学院13/40基本任务1.研究结构的组成规律和合理形式以及计算简图的合理选择；组成规律：保证结构各部分之间不能发生相对运动，以承担预定的荷载；合理形式：为了充分发挥结构的性能，更有效地利用材料，以达到安全、经济的目的；计算简图：将实际结构变成理论模型（Structuralidealization)

，便于研究和讨论。*哈工大土木工程学院14/402.讨论结构内力和变形的计算原理和计算方法内力计算是为了保证结构强度和稳定性，使结构安全经济；变形计算是为了保证结构不发生过大位移，满足使用要求3.讨论结构的稳定性及在动荷载作用下的结构反应规律，利用控制理论寻找恰当的控制方法。研究结构在外界因素(如荷载、温度变化及支座移动)的影响下，结构的反力、内力和位移的计算原理和方法。为结构设计提供理论依据。*哈工大土木工程学院15/40研究手段1.理论分析2.实验研究3.数值计算首先把实际结构简化为计算简图，再对计算简图进行理论分析。结构力学分析要综合考虑三个方面的条件：1.力系的平衡条件和运动条件；2.变形的几何连续条件；3.应力-应变间的物理条件。将三个条件根据不同的具体情况结合起来就可以得到不同的计算方法。*哈工大土木工程学院16/40本课与其它课程的关系高等数学

作为分析计算的工具理论力学

着重讨论物体的机械运动材料力学

以构件作为对象，讨论应力-应变关系弹性力学以块体和板壳结构为研究对象，讨论弹性材料更广泛的本构关系结构力学

重点研究杆系结构，它为钢混结构、钢木结构，水工结构和桥梁结构等专业课提供力学基础和设计依据。*哈工大土木工程学院17/40基本要求：(1).注意与理论力学和材料力学的联系(2).注意理论联系实际(3).注意分析方法和计算能力的培养(4).注意多练，认真做好作业，不盲目(5).注意自学能力的培养*哈工大土木工程学院18/40§0-3计算简图计算工程实际问题的过程:

力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性，因此模型的概念和建立力学模型的思想是学习的一个重点。计算简图的选用需要较深厚的力学概念，并与工程实践相结合，以及实践的检验。后面我们需要通过物体间的接触与联接方式的简化来体会建模思想和建模过程。实际对象力学模型数学模型计算

*哈工大土木工程学院19/40计算简图(computingmodelofstructure)

为了结构计算，需要对实际结构进行一些简化和假设，略去某些次要因素，保留其主要受力特征和变形特点，以简化图形代替实际结构，该图形称为计算简图。选取结构的计算简图必要性、重要性：

实际结构错综复杂，面面俱到困难重重。适当简化合理选型，存本去末关键一环。*哈工大土木工程学院20/40能反映结构的实际受力特点，保证计算精度和可靠性。忽略次要因素，使计算切实可行。

选取结构的计算简图的原则：计算简图要它能反映工程结构物的如下特征：

1．受力特性（荷载的大小、方向、作用位置）

2．几何特性（构件的轴线、形状、长度）

3．支承特性（支座的约束反力性质、杆件连接形式）*哈工大土木工程学院21/40影响计算简图选取的主要因素：

结构性质：次要结构——粗；重要结构——精；

设计阶段：初步设计——粗；技术设计——精；

计算性质：动力计算——粗；静力计算——精；

计算工具：简陋——粗；先进——精。*哈工大土木工程学院22/40结构简化：一般结构实际上都是空间结构，各部相连成为一空间整体，以承受各方向可能出现的荷载。在多数情况下，常忽略一些次要的空间约束，而将实际结构分解为平面结构。结构简化的几个主要方面*哈工大土木工程学院23/40单层工业厂房取一榀计算，并化为平面体系。↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓*哈工大土木工程学院24/40杆件(Bar)简化：由杆的特征，截面应力可根据截面内力确定，而内力只沿杆长方向变化，因此杆的简图可用轴线代替。杆件连接点用结点表示；杆长用结点间的距离表示；荷载作用点移到轴线上。

FP2FP1↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓*哈工大土木工程学院25/40连接(Joints)简化：杆件间的连接区按约束程度简化成理想模型l铰结点—被连接的杆件在连接处不能移动但可转动。即可以传递力，但不能传递力矩(桁架结构示意)铰结点(HingeJoints)

*哈工大土木工程学院26/40l组合结点—被连接的杆件在连接处不能产生相对移动但部分杆可产生相对转动。l刚结点—被连接的杆件在连接区不能相对移动亦不可相对转动。因此通过刚结点可以传递力，也可以传递力矩。

刚结点(Rigidjoints)

*哈工大土木工程学院27/40支座(Supports)简化:结构与基础相联结的部分称支座，结构所受荷载通过支座传递到基础和地基。可动铰支座(Rollersupport)Fy*哈工大土木工程学院28/40固定铰支座(hingesupport)

FyFx*哈工大土木工程学院29/40滑动支座(定向支座)(guidesupport)FyM*哈工大土木工程学院30/40固定端支座(fixedsupport)细石混凝土填充FyMFx*哈工大土木工程学院31/40实际工程中，支承部分有一定的弹性。在外荷载作用下支座产生变形，从而影响结构的内力和变形，其反力与结构支承端相应的位移成正比弹性支座(elasticsupport)*哈工大土木工程学院32/40

荷载(Loads)简化:荷载简化为作用在杆件轴线上。作用面积不大：按集中荷载考虑；作用面积较大：按分布荷载考虑；相联作用给予的反作用力：力偶荷载；最后化成三大作用：线荷载、集中荷载及力偶荷载

材料(Materials)简化:

将结构材料视为连续、均匀、各向同性、线弹性或理想弹塑性、小变形。*哈工大土木工程学院33/40

1.梁(beam)实际是对计算简图进行分类，按结构的受力特性和连接特征划分。受弯构件。承受横向荷载§0-4杆系结构的类型qFP*哈工大土木工程学院34/40

2.拱(arch)轴线为曲线，力学特征是在竖向荷载作用下支座产生水平推力*哈工大土木工程学院35/40由若干两端为理想铰的直杆连接而成体系。3.桁架(truss)*哈工大土木工程学院36/404.刚架(rigidframe)由梁柱组成，具有刚结点，主要受弯*哈工大土木工程学院37/40

5.组合结构(compositestructure)兼有刚架和桁架的组合体*哈工大土木工程学院38/40能使结构产生内力或变形的因素，统称荷载(loads)进行结构计算前，确定荷载大小很关键：若估计过大，消耗材料，增加造价；若估计过小，无法保证结构的安全。要做到既经济又安全，同时满足刚度、强度和稳定性的要求。§0-4荷载分类狭义荷载：主动作用在结构上的外力。自重、风、地震广义荷载：外力、温度改变、支座沉降、制造误差、材料的收缩及松驰等*哈工大土木工程学院39/40恒载（Deadloading）：长期作用于结构的不变荷载，包括:结构的自重和土压力；按作用时间久暂分为活载（Livingloading）：建筑物施工和使用期间可能存在的荷载，包括：风载、雪载、吊车荷载、屋面荷载按空间位置的变异分为固定荷载（Fixedload）

位置上固定分布，或作用位置不变的荷载,包括:结构自重、固定设备等可动荷载（Movingload）

位置上一定范围内可以任意分布，或作用位置可以移动的荷载，包括：人群荷载、吊车荷载等*哈工大土木工程学院40/40按作用性质分为静力荷载（Staticloading）

略去惯性力的影响，大小方向作用点不随时间变化或变化极为缓慢，无加速度。动力荷载（Dynamicloading）

使结构产生不容忽视的加速度，冲击、振动。按荷载规范分为荷载规范

总结了设计经验和科研成果，供设计时用。End主要荷载：指结构在正常使用条件下经常作用着的荷载，如结构自重、车辆荷载；附加荷载：指不经常作用的荷载，如风压力、温度变化等*哈工大土木工程学院41/40桥梁在列车荷载作用下不至于破坏和产生过大的变形。*哈工大土木工程学院42/40水坝在